Intégration de l`énergie éolienne au réseau électrique Plan
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Intégration de l’énergie éolienne au réseau électrique B. Francois Séminaire “Le développement des Energies éoliennes en Tunisie” Association des Spécialistes Electriciens de Tunisie 19 novembre 2009 Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille (L2EP) Ecole Centrale de Lille [email protected] 1 http://l2ep.univ-lille1.fr/ Plan 1) Raccordement Technologies d’éoliennes Prescriptions (tension, flicker, protection) 2) Fonctionnement du systeme sensibilité au défaut de tension besoin en réserve participation aux services systeme 3) Prospectives de recherche et Solutions futures 2 Introduction Le Système électrique = adéquation offre de production avec une demande de consommation à travers un réseau. La demande est variable , même si elle est prévisible, il reste un aspect stochastique. Pour faire face à l’aléa de la demande, les moyens de production doivent être contrôlables : maitrise de l énergie injectée, fourniture de programme de production, modulations rapides à la hausse ou à la baisse, … La production éolienne est variable, peu flexible (arrêt/démarrage) et fournit des programmes de production incertain. La production éolienne n’est pas programmable et représente un aléa supplémentaire dans le système. 3 Quels sont les problèmes ? _ Le raccordement au réseau (capacité d’accueil, qualité de tension, …) _ Le fonctionnement du système électrique électrique ( tenue aux défauts, participation aux services système, réserve, …) _ Les marchés de l’électricité (insertion de la production d’énergies renouvelables dans la planification, marché J-1, ajustement, …) Quelles sont les solutions pour une intégration à grande échelle ? Les réponses changent selon la technologie d’éolienne… 4 Le raccordement La technologie évolue pour augmenter le productible -> Sur un territoire donné, le nombre de site exposé à des vents réguliers est limité -> Objectifs nouveaux : Meilleure exploitation des ressources éoliennes -> La puissance crête des éoliennes augmente continuellement (Source : Alstom Power [MOL 04] ) 8 La technologie suit les exigences des opérateurs de réseau -> prendre en compte les exigences techniques 5 -> loi, décrets d’application, appel d’offre, … Coup de projecteur sur les différentes technologies Classement général Puissance crête Eoliennes à vitesse fixe Eoliennes à vitesse variable Machine asynchrone à cage Machine synchrone à rotor bobiné Machine synchrone à aimant permanent Machine à double alimentation 6 Electronique de puissance Technologie :Eolienne à vitesse fixe Principe de base Vitesse rapide (1500tr/min) v AC 50 H z Ωt β R E S E A U X Ω m u l ti p l ic at e u r G e n e r at e u r a sy n c h r on e C o m p e n sa ti o n d e l a p u is sa n c e r é ac t iv e Vitesse lente 7 Technologie : Eolienne à vitesse variable Principe de base ⇒ Maximum power tracking Power P3 Benefice P2 Puissance maximale C B P1 v2 A v1 Ω1 Puissance électrique (kW) 1600 Mesure Simulation 1400 Vitesse du vent Ωmec Ω2 La vitesse du générateur doit être adaptée 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 8 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Vitesse mécanique (tr/mn) 2000 Mais, ce domaine de fonctionnement est limité aux faibles vitesses et faibles puissances Technologie : Eolienne à vitesse variable Avantage ⇒ Maximum power tracking ⇒ Reduction du bruit (lors des fonctionnement à faible puissance) ⇒ Reduction des efforts mécaniques ⇒ Un peu moins de variations de puissance (stockage mecanique dans la turbine, stockage électrique dans le bus continu) ⇒ Une plus grande flexibilité par l’électronique de puissance, augmentation de la contrôlabilité ( contrôle possible en puissance active, reactive, en tension, …) 9 Technologie : Eolienne à vitesse variable Vitesse rapide (1500tr/min) v AC 50 Hz Τa Ωt β R E S E A U X Gen erateur asy nch ro ne Τg Electronique de puissance Ω m ultiplicateur i machine AC Vitesse lente DC F réqu en ce v ariab le i grid u C AC Rt L t DC Générateur synchrone à rotor bobiné R Générateur synchrone à aimant permanent AC 5 0 H z v E S E A U X G enera teu r sy nch ro ne Τa β Electronique de puissance Ωt Fr équ ence va riable Vitesse lente 10 im achine AC DC C i grid u AC R t Lt DC [FRA 05] Technologie : Eolienne à vitesse variable Bagues Circuit Génératrice asynchrone à double alimentation v C a er Ω tu r bin e β AC 5 0 H z Cg B ag ue s RESEAUX rotorique Ω m ec m ult ip licat eur D .F .I.G . i m _mac i m -res AC AC u DC Fr éq u en ce var iab le C R t L t it 1 it 2 DC Avantages additionnels : - l’électronique de puissance est dimensionnée à 30% de la puissance totale - Intérêt économique 11 Caractéristique Puissance/ vitesse d’une éolienne à base de génératrice asynchrone à double alimentation Puissance électrique (kW) 1600 Puissance constante Mesure Simulation 1400 1200 Vitesse constante 1000 800 600 400 MPPT 200 0 -200 12 Démarrage 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Vitesse mécanique (tr/mn) 2000 Relevés dynamiques 13 Evolutions des technologies [2008 IEEE Workshop on Wind power Integration] 14 Raccordement : Prescriptions Résolution des problèmes locaux de connexion, tels que : _ Capacité d’accueil (transit) Vérifier si on est capable d’évacuer vers la puissance produite vers les consommateurs Dimensionnement des équipements (transformateurs, postes, lignes) _ Transmission des signaux tarifaires et de télé contrôle, les protections _ Plan de tension _ Qualité de la tension (flicker, harmonique) _ Plan de protection Règles de raccordement définies dans des référentiels techniques 15 Raccordement : Plan de tension Augmentation de la valeur efficace de la tension 1300 MVA,70 kV HV transformer 15 kV / 70 kV, 20 MVA Bus C RMS voltage (%) 1 Bus D Load L 1 MVA, cosϕ =0.9 “ Line 2km 240 alu Line 2km 150alu Bus E ac dc ac With W.G. 0.9 Without W.G. 0.8 Line 3km 240 alu dc DFIG 1.5 MVA Location (m) L Load 2 MVA, cosϕ =0.85 200 Exemple du standard français : Variation de la tension : 5 % durant 0.5 s. Variation maximale de la puissance : 4 MW/min 16 400 600 800 1000 [ES 99] [ELA 03-2] Raccordement : Exemple du plan de tension Solutions to correct slow variations of the rms voltage : -Direct connexion to a tap transformer, high investment in the architecture - SVC for dynamic voltage stabilization Exemple : Dunsmuir (Vancouver island), rating 135 Mvar inductive and 165 Mvar capacitive at 132 kV Thyristor-Switched Reactors (TSR) Thyristor-Switched Capacitor (TSC) Le cout de chaque solution doit être étudié 17 Raccordement : Flicker Variation rapide de la tension Dépend de la technologie de l’éolienne Eolienne à vitesse fixe v Τa β Ωt Induction Generator Τg Ω Gearbox J 18 AC fixed Frequency Transfert direct des variations de puissance aérodynamique sur le réseau dΩ = celectromecanique − c pertes − caerodynamique dt Raccordement : Exemple du flicker Eoliennes à vitesse variable v AC 50 Hz Τa β Ωt Induction Generator Τg Ω Stator side inverter Gearbox i machine i grid Grid side inverter u G R I D Rt Lt C AC Variable Frequency Pas de transfert si - Variation du bus continu - contrôle de la puissance moyenne (≠MPPT), orientation des pales et contrôle de la machine v Doubly Fed Induction Generator Τa β R Ωt Τg AC 50 Hz Slip Ring Ω Gearbox Rotor side inverter i machine i grid Line side inverter u C AC Variable Frequency Rt Lt G R I D Pas de transfert si - Régulation de la tension - Fonctionnement du convertisseur réseau en D statcom Le systeme de contrôle a une grande influence sur les variations rapides de tension! 19 Raccordement : Flicker Solutions Stockage pour compenser les transitoires de puissance : - Batteries (vieillissement) - Volant d’inertie Battery Wind generator Grid Induction machine Flywheel unit AC u DC C DC AC Deux avantages : - Contrôle rapide de la tension - Regulation de la loi statique : Frequence/Puissance 20 Wind generator Raccordement : Plan de protection - Les réseaux de distribution sont concus pour un transfert de la puissance électrique du réseau de transport vers les charges - Influence en terme de qualité de protection et de sécurité - Un impact important : Augmentation du courant de court circuit - Exemple : Le courant lors d’un défaut est fourni à la fois par le réseaux de transport et l’éolienne. Si le courant venant du réseau de transport diminue, la protection ne déclenchera pas et le défaut ne sera pas détecté et persistera car toujours alimenté par l’éolienne ! Wind generator G Line 1 Fault point Distribution Substation Line 2 Over current 21 Plan de protection Systemes de protection particuliers: Negative phase relay, Ground over-voltage relay Solutions externes : Selfs qui saturent pour réduire le courant de défaut G Wind generator Line 1 Fault point Distribution Substation Line 2 Over current Remarques Avec les éoliennes à vitesse variable et donc des convertisseurs electroniques de puissance, l’impact est réduit car la commande contrôle les courants générés et donc les limitent à leur valur maximale ! 22 Fonctionnement du système Le taux de pénétration de l’éolien semble limité à 20% Genérateur passif Pour faire face à la variabilité, 2 objectifs: _ Utiliser les éoliennes pour augmenter des possibilités de gestion du réseau électrique _ Les faire participer aux services système Techniquement : _ Le comportement sur défauts _ Les besoins additionnels en réserve _ La participation aux services systèmes Réglage de la tension Réglage de la fréquence 23 Comportement sur défaut de tension Si l’éolien représente une petite part de production, pas de problème, les éoliennes peuvent se déconnecter en cas de défauts provenant du réseau (sur la tension) Ce n’est plus possible en Europe car cela entrainerait une perte instantanée de production supérieure (à l’incident dimensionnant la réserve primaire : 3 000 MW) Depuis 2000, _ Tenue aux défauts à travers la mise en place de gabarit de tenue aux creux de tension _ Définition de plages de fréquences admissibles 24 Comportement sur défaut de tension Grace à l’électronique de puissance et au contrôle des puissances actives et réactives pendant le défaut, les technologies éoliennes permettent de tenir ces défauts Exemple : Amélioration de la stabilité des courants générés par une éolienne à base de MADA par contrôle du flux statorique (a) Synchronous approach (b) Asynchronous approach Timing evolution of the stator flux [ELA 05] 25 Comportement sur défaut de tension External solutions Dynamic Voltage Restorer 4 2 x 10 1.5 Injected Voltages 1 0.5 0 -0.5 -1 Voltage Supply Grid Voltage Wind generator -1.5 -2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 4 2 x 10 1600 x 104 2 4 2 x 10 1.5 1.5 1.5 1 11 0.5 0.5 0.5 0 VSI -0.5 -1 -1.5 -2 0 00 -0.5 -0.5 -1-1 -1.5 -1.5 200 400 600 800 1000 1200 1400 -2-20 0 1600 200 200 400 400 600 600 800 800 1000 1200 1200 1400 1400 1600 1600 1000 energy storage 26 [AWA 04] Besoin en réserve Les réserves en puissance sont constituées pour faire face aux aléas dans le réseau, leur niveau dépend de l’horizon temporel des aléas L’aléa de la production éolienne impacte tous les horizons temporels. Le calcul des marges doit prendre en compte la variabilité de l’éolien erreur de prévision Perte d’un groupe, variations rapide de la charge hydraulique, turbine a gaz, groupe diesel 27 Participation aux services systeme Moyens de réglage mis à la disposition du gestionnaire de réseau par les producteurs pour le réglage de la tension et de la fréquence. Réglage automatique réalisé par des groupes de production permettant des variations contrôlées très rapides de leur puissance active (réglage de la fréquence) ou réactive (réglage de la tension). Le comportement en fréquence Si on remplace les groupes conventionnels (participant au réglage de la fréquence) par des éoliennes ne participant, alors il y a dégradation sur l’écart et le transitoire 28 Participation aux services systeme Le réglage de tension Les normes européennes « grid codes » imposent aux eoliennes de régler la tension ou la puissance réactive échangée. Exemple : Espagne +- 30% de la puissance apparente produite pour les fermes > 30MW raccordées au réseau de transport (>220 kV) 29 Prospectives de recherche et Solutions pour intégrer l’éolien dans le système Système de prévision et de conduite Nouvelles sources de flexibilité Nouvelles architectures de réseau dédiées 30 Solutions pour intégrer l’éolien dans le système Système de prévision et de conduite Prévision de la production éolienne • Quelques heures, erreur de 3 à 5% de la puissance installée • J-1, erreur de 5% de la puissance installée • >4J, erreur > 7,5% de la puissance installée Intérêt, recalculer les marges de la réserve Systèmes de conduite centralisée • Pour gérer l’impact de l’éolien, il faut le mesurer et le controler • exemple : Espagne, les « Despatcho delagado » • exemple : Allemagne, petites fermes raccordées en distribution, quelques mesures + estimation (ISET) • exemple : France, IPES (2009-2010), système d’observation (mesures+predictions) et de contrôle à la baisse (effacement) 31 Solutions pour intégrer l’éolien dans le système Nouvelles sources de flexibilité Couplage avec d’autres moyens de production rechercher des complémentarités au travers des marchés (économique) Stockage Modification des éoliennes en générateur actif participant aux services système (statisme de réglage puissance/fréquence et réactif/tension) 32 Solutions pour intégrer l’éolien dans le système Nouvelles architectures de réseau Micro réseau en grappe Réseau continu urbain (éco quartier) Réseau continu haute tension offshore 33 Merci pour votre attention ! 34 Site de Sidi Daoud (Tunisie)
